Die Masse des W-Boson-Teilchens wurde gefunden von Großer Hadronenbeschleuniger Um genau das zu sein, was es ist Standardformular Teilchenphysiker erwarten, dass dies der Fall ist, was im Widerspruch zu früheren Ergebnissen von Fermilab steht, die auf das Vorhandensein einer anderen Masse und damit auf die Möglichkeit einer neuen Physik hindeuteten.
Während diese Entdeckung das Standardmodell als beste Darstellung der Teilchenwelt bestätigt, hatten Wissenschaftler gehofft, dass ihr Modell tatsächlich falsch war und dass die Diskrepanz in der Masse des W-Bosons den Weg zu neuen Theorien weisen könnte, die Rätsel wie lösen könnten die Identität von Teilchen. Dunkle Materiewas 85 % der gesamten Materie ausmacht Universum Aber sie bleiben für uns praktisch unsichtbar.
Bosonen Sie sind tragende Grundteilchen Naturgewalten. Die Starke Kraft Was verbindet Quarks Zusammen drinnen Protonen Und Neutronen Es wird von einem Boson namens getragen GluonDas Boson der elektromagnetischen Kraft ist ein Photon, und die schwache Kraft, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist, besteht aus drei Bosonen: W+, W– und dem Z-Boson.
Die Messung der Massen dieser Teilchen ist schwierig, da sie eine unglaublich vorübergehende Existenz haben, bevor sie in andere Teilchen zerfallen. Deshalb erzeugen Physiker nach besten Kräften zunächst Bosonen, indem sie mit Protonenstrahlen kollidieren, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Lichtgeschwindigkeit Im Inneren eines Teilchenbeschleunigers. Im LHC beispielsweise kollidieren Protonen mit einer Gesamtenergie von 13 Billionen Elektronenvolt (eV). Bei der Kollision werden die Protonen gezwungen, in andere Teilchen zu zerfallen, von denen einige Bosonen sind (so entstehen Teilchen). Higgs-Boson(Das Higgs-Feld, das fast alles zusammenhält und allem seine Masse verleiht, wurde am Large Hadron Collider entdeckt.) Dann zerfallen auch die Bosonen selbst, und ihre Masse lässt sich am besten messen, indem man die Massen aller von den zerfallenden Bosonen erzeugten Teilchen addiert.
Bezogen auf: Wie der Nachfolger des Large Hadron Collider nach dem dunklen Universum suchen wird
Bosonen zerfallen in Teilchen namens Leptonen (oder Anti-Leptonen), die… ElektronenMyonen oder Tau-Teilchen (ein Lepton wird durch einen halbzahligen Spin definiert, d. h. 1/2 oder 3/2). Das Z-Boson zerfällt in zwei weitere Teilchen, sogenannte Myonen, die relativ einfach zu messen sind. Aus diesem Grund ist die Masse des Z-Bosons mit einem Wert von 91.187,6 MeV und einer Fehlertoleranz von ±2,1 MeV gut bekannt.
Allerdings zerfallen auch W+- und W–-Bosonen in Lepton (oder Antilepton). NeutrinoHier liegt das Problem.
Neutrinos sind extrem kleine Teilchen, die schwer zu erkennen sind und wie Geister durch Detektoren hindurchgehen können. Billionen von Neutrinos strömen derzeit sogar durch Ihren Körper, aber Sie können es nicht wissen. Deshalb braucht es einen Kubikkilometer Eis, das am IceCube-Neutrino-Observatorium in der Antarktis mit Photomultiplier-Röhren vermischt ist, um sie zu entdecken. Der LHC kann auch Neutrinos nachweisen, hat diese Fähigkeit jedoch erst kürzlich mit zwei Detektoren erlangt, FASER (Forward Search Experiment) und SND (Scattering Neutrino Detector). Der LHC gab im August 2023 die ersten Neutrino-Detektionen bekannt.
Das Standardmodell prognostiziert eine Masse der W+- und W–-Bosonen von 80.357 MeV, ± 6 MeV, basierend auf einer Theorie, die die elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft kombiniert, die sogenannte „Elektroschwache Theorie“. Doch im Jahr 2022 ermittelten Physiker, die alte Daten aus dem Jahr 2011 (erzeugt vom Tevatron-Teilchenbeschleuniger von Fermilab in Illinois, USA) erneut analysierten, eine W-Boson-Masse von 80.433 MeV, ± 9 MeV. Dadurch wurde die Masse des W-Bosons aus dem Bereich des Standardmodells entfernt. Wenn dies zutrifft, würde dies neue Physik wie „Supersymmetrie“ (die besagt, dass jedes Teilchen im Standardmodell ein zusätzliches, massereicheres Gegenstück hat) und die Quantenringgravitation (die beschreibt, wie das Gefüge des Universums aus winzigen Teilchen bestehen kann) implizieren Quantenringe). Infolgedessen ist die Physikwelt von diesen Möglichkeiten sehr begeistert.
Leider war das nicht der Fall.
Im Jahr 2023 maß das ATLAS-Experiment am LHC die Masse des W-Bosons mit 80.360 MeV ± 16 MeV, was bereits mit dem Standardmodell übereinstimmt – aber angesichts der interessanten Ergebnisse von Fermilab gab es Bedenken, dass ATLAS einige unerkannte systematische Fehler aufweist, die Auswirkungen haben seine Maße.
Allerdings wurden durch das Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment am LHC neue Messungen der W-Boson-Masse durchgeführt, die ebenfalls mit dem Standardmodell übereinstimmen und eine Masse von 80.360,2 ± 9,9 MeV ergeben. Das entspricht nur 1,42 × 10^–25 Kilogramm.
„Im Wesentlichen verwendeten wir eine 14.000-Tonnen-Waage, um das Gewicht eines Teilchens mit einer Masse von 1 x 10^–25 kg oder etwa dem 80-fachen der Protonenmasse zu messen.“ Stellungnahme.
Viele Physiker hatten natürlich gehofft, dass das Massenparadoxon des W-Bosons bewiesen werden würde, weil dies die Tür zu einer neuen Physik öffnen würde, die zur Erklärung dieses Massenparadoxons erforderlich wäre. Am Beispiel der Supersymmetrie könnte dieses Konzept den Weg zur Erklärung der Dunklen Materie weisen. Der derzeit führende Kandidat für Dunkle Materie ist ein Teilchentyp namens WIMP, was für Weakly Interacting Massive Particle steht – ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen, das perfekt in die Grenzen der Supersymmetrie passen würde. Doch leider wurden für Teilchen im Standardmodell noch keine supersymmetrischen Partner gefunden und die Theorie der Supersymmetrie ist noch lange nicht bewiesen.
„Alle hatten gehofft, dass wir es außerhalb der Theorie messen könnten, was Hoffnungen auf neue Physik wecken würde“, sagt Bakhtis. „Indem wir bestätigen, dass die W-Boson-Masse mit der Theorie übereinstimmt, müssen wir woanders nach neuer Physik suchen.“ indem wir auch das Higgs-Boson mit hoher Präzision untersuchen.“
Die Bestätigung der Masse des W-Bosons öffnet jedoch die Tür zu anderen Dingen. Beispielsweise ist es möglich, diese Massenmessung zu nutzen, um die Stärke des Higgs-Feldes besser zu beurteilen oder die elektroschwache Theorie besser zu verstehen. Diese Entwicklungen sind Optionen aufgrund der Art und Weise, wie das CMS die W-Bosonenmasse maß: durch Kalibrierung der Energie der emittierten Myonen mit einer Fehlermarge von nur 0,01 %, was nur 0,01 % der gesamten W-Bosonenmasse darstellt. Anfragen Zu Unermesslichkeit Genauer als bisher für möglich gehalten.
„Dieses neue Maß an Präzision wird es uns ermöglichen, kritische Messungen, beispielsweise solche mit dem W-, Z- und Higgs-Boson, mit erhöhter Präzision durchzuführen“, sagte Doktorandin Elisabetta Manca, die seit acht Jahren mit Bakhtis an diesem Projekt arbeitet.
Das Standardmodell gewinnt also erneut – aber mit kosmischen Mysterien wie der Dunklen Materie auf dem Vormarsch, Dunkle Energie Sogar die Hubble-Spannung, etwas in unserem Verständnis der Physik, muss irgendwann durchbrochen werden, um der Welt der Physik den Weg nach vorne zu ebnen.
Die Ergebnisse sind auf der CERN-Website beschrieben CMS-Website.
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